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        電動汽車空調(diào)水冷式冷凝器的設(shè)計(jì)開發(fā)與實(shí)驗(yàn)研究

        2022-05-10 09:09:52郭震
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年14期
        關(guān)鍵詞:鋸齒翅片冷卻液

        郭震

        (美的集團(tuán)(上海)有限公司,上海 201799)

        為了提高電動汽車冬季續(xù)航能力,熱泵空調(diào)技術(shù)幾乎成為當(dāng)前純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的標(biāo)配。熱泵空調(diào)系統(tǒng)分為直接式熱泵系統(tǒng)和間接式熱泵系統(tǒng),直接式熱泵系統(tǒng)比間接式熱泵系統(tǒng)效率高,但間接式熱泵系統(tǒng)也存在一定優(yōu)勢:一是減小空調(diào)箱改動,節(jié)省開發(fā)時(shí)間;二是取消PTC 空氣加熱器,改為PTC 水加熱器,避免高壓電進(jìn)入乘客艙,安全性高;因此,很多車型采用了間接式熱泵系統(tǒng)。水冷式冷凝器作為該系統(tǒng)的主換熱器,其作用是將制冷劑熱量傳遞到冷卻液中,冷卻液將這部分熱量帶到乘客艙,該換熱器的性能優(yōu)良直接影響整個(gè)熱泵系統(tǒng)的COP 值。本文將探討汽車空調(diào)水冷式冷凝器的設(shè)計(jì)開發(fā)與實(shí)驗(yàn)研究,為有關(guān)從業(yè)人員提供借鑒。

        1 水冷式冷凝器特點(diǎn)

        考慮車載換熱器輕量化、緊湊化和低成本的需求,水冷式冷凝器一般采用釬焊式鋁合金板式換熱器(以下簡稱板換)結(jié)構(gòu)。目前,該類型板換采用的板型主要有三種:人字波板型、點(diǎn)波式板型、內(nèi)翅片式。其中,內(nèi)翅片式板換具有流阻小、換熱性能佳的優(yōu)點(diǎn),而被廣泛采用,本文選擇該類型板換為研究對象。

        內(nèi)翅片式板換主要由換熱板片、內(nèi)翅片、頂板、底板、法蘭、水管等組成。其主要換熱結(jié)構(gòu)為層疊設(shè)置的換熱板片組,換熱板片帶翻遍,釬焊后形成多個(gè)制冷劑和冷卻液流道,兩種流道交錯相鄰,流道腔體內(nèi)布置有內(nèi)翅片,起到強(qiáng)化傳熱的作用。為了獲得較好的傳熱效果,冷卻液與制冷劑的流動方向最好為逆流,同時(shí)考慮冷卻液的流道分布較好且對流阻較為敏感,故冷卻液側(cè)一般采用單流程,制冷劑側(cè)則采用單流程或者三流程居多,也有采用U型流的設(shè)置,本文不做探討。

        板換上常用的內(nèi)翅片形式有:平直翅片、鋸齒翅片、多孔翅片和波紋翅片等,其中鋸齒形翅片具有較好的綜合性能,因此作者推薦水冷式冷凝器的內(nèi)翅片形式采用鋸齒形。

        國內(nèi)外學(xué)者針對鋸齒翅片展開了一系列實(shí)驗(yàn)研究,Kays 和London 等人對多種內(nèi)翅片進(jìn)行了系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究,總結(jié)出了多種內(nèi)翅片的傳熱與壓降經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[1];為了滿足機(jī)油冷卻器開發(fā)需要,張力、郭麗華、王彥超等人以水或機(jī)油為換熱介質(zhì),對多種鋸齒翅片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,提出了多個(gè)鋸齒翅片的傳熱與壓降經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[2-4];另外,很多學(xué)者也對內(nèi)翅片進(jìn)行了很多數(shù)值模擬研究[5-7]。但是上述研究大多局限于內(nèi)翅片單流道的研究,且介質(zhì)為水或油等不帶相變的工況,而采用內(nèi)翅片式板換結(jié)構(gòu)的水冷式冷凝器卻鮮有研究報(bào)道,其換熱機(jī)理、選型設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造還存在諸多問題。

        2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

        本文以某純電動汽車的水冷式冷凝器為例,介紹電動汽車空調(diào)水冷式冷凝器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

        根據(jù)客戶要求,水冷式冷凝器尺寸不得超過允許的空間尺寸范圍,重量≤1.2Kg, 性能要求:冷卻液入口溫度50℃,流量12L/min,制冷劑進(jìn)氣壓力1.62MPaG,過熱度25℃,過冷度5℃,要求換熱量≥6KW,制冷劑流阻≤20KPa,冷卻液流阻≤16.2KPa。

        2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)選型

        依據(jù)客戶提供的邊界,換熱板片選擇166mm*74mm板型,板片數(shù)量初步選擇19 片,疊片高度為65mm,重量1.0Kg,如圖1 所示。

        圖1 水冷式冷凝器

        水冷式冷凝器主體采用鋁合金材料,沖壓件和管件采用成型性較好的3 系鋁合金,法蘭上攻有螺紋,采用強(qiáng)度較高的6 系鋁合金。

        2.2 翅片設(shè)計(jì)

        作為影響換熱性能的核心部件,翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取非常重要。鋸齒翅片按照介質(zhì)流向不同,分為LPD 型和HPD 型,如圖2 所示,為了獲得較高的換熱量,本文選擇HPD型鋸齒翅片作為研究對象。影響鋸齒翅片性能的參數(shù)主要有:齒高h(yuǎn)、齒距s、錯齒距s0、齒開窗寬度b、齒厚t、齒形角α,如圖3 所示。

        圖2 鋸齒翅片的分類

        圖3 鋸齒翅片的主要參數(shù)

        對于水冷式冷凝器,在芯體有效長、寬、高尺寸不變的情況下,齒高h(yuǎn) 越小,換熱量越高、流阻越大;齒距s 越小,換熱量越高、流阻越大;錯齒距s0/齒距s 的比值越小,換熱量越高、流阻越大;齒開窗寬度b 越小,換熱量越高、流阻越大;齒厚t 越小,換熱量越高、流阻越?。积X形角α 越大,換熱量越高、流阻越大。依據(jù)經(jīng)驗(yàn),為了平衡換熱量和流阻需求,部分參數(shù)不宜過大或過小,齒高h(yuǎn) 建議在1.4~3mm 之間取值,齒距s 建議在4.2~7.8mm 之間取值,錯齒距s0/齒距s 的比值建議在0.2~0.3 之間取值。對于齒開窗寬度b,由于其值對流阻的影響較小,但對換熱量的提升影響較大,所以建議越小越好,但考慮其值低于1mm時(shí)易損壞模具,所以建議在1.0~1.8mm之間取值。對于齒厚t,其值越小,換熱量越高,流阻越小,同時(shí)重量越輕,所以建議越小越好,但考慮其值低于0.2mm 時(shí)翅片的抗塌陷性能難以保證,所以建議在0.2~0.4mm之間取值。齒形角α 的選取主要考慮可制造性和模具壽命,一般在70°~90°之間選取,主流是80°和90°。其中齒高h(yuǎn) 和錯齒距s0/齒距s 的比值對換熱性能影響最大,需要重點(diǎn)關(guān)注。

        由于客戶對冷卻液側(cè)流阻要求較高,故選擇齒高為3mm的鋸齒翅片,以減小流阻,選取翅片參數(shù)如表1 所示。

        表1 翅片參數(shù)表

        3 實(shí)驗(yàn)研究

        設(shè)計(jì)制作了水冷式冷凝器樣件,進(jìn)行換熱性能測試,制冷劑為R134a,冷卻液為50%乙二醇水溶液。指定制冷劑進(jìn)氣壓力1.62MPaG,入口過熱度25℃,出口過冷度5℃,冷卻液入口溫度50℃,通過調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和膨脹閥的開度,獲得不同冷卻液流量下的換熱性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4~6。

        圖4 換熱量隨冷卻液流量的變化情況

        從圖4 可以看出,冷卻液流量對換熱量的影響較大,隨著冷卻液流量增加,換熱量逐步增加,換熱量與冷卻液流量比值的0.58 次方成正比。

        從圖5 可以看出,隨著冷卻液流量增加,冷卻液流阻逐步增加,冷卻液流阻與冷卻液流量比值的1.97 次方成正比。

        圖5 冷卻液流阻隨冷卻液流量的變化情況

        從圖6 可以看出,隨著制冷劑流量增加,制冷劑流阻逐步增加,制冷劑流阻與制冷劑流量比值的2.05 次方成正比。

        圖6 制冷劑流阻隨制冷劑流量的變化情況

        調(diào)整工況,分析不同溫差下水冷式冷凝器的換熱性能,所述溫差是指制冷劑冷凝溫度與冷卻液入口溫度之差。指定制冷劑入口過熱度為25℃,出口過冷度為5℃,冷卻液流量為10L/min,其余工況的選取見表2。

        表2 測試工況表

        從圖7 可以看出,在相同的冷卻液流量下,制冷劑冷凝溫度與冷卻液入口溫度之差越大,換熱量越大,并且當(dāng)制冷劑冷凝溫度與冷卻液入口溫度之差相同時(shí),換熱量比較接近。

        圖7 換熱量隨溫差的變化情況

        同一工況下,試樣有6 種不同擺放,如圖8 所示,分析不同的樣件擺放方式對水冷冷凝器換熱量、冷卻液流阻的影響。

        圖8 水冷式冷凝器的六種擺放方式

        從圖9 可以看出,擺放方式一、二、三的換熱量較高,換熱量最低的為擺放方式五,換熱量只有擺放方式三的79%。對于本水冷式冷凝器,不同的擺放方式對換熱量的影響較大,合理的擺放有利于獲得最佳性能。這主要是制冷劑在流道內(nèi)分配不均勻造成的,可通過增加流程數(shù)來改善,雖然會增加流阻,但是考慮冷凝器一般可以接受較高的制冷劑流阻,所以制冷劑側(cè)推薦采用多流程設(shè)計(jì)。至于冷卻液側(cè),由于多流程設(shè)計(jì)對大大增加冷卻液流阻,一般采用單流程設(shè)計(jì)。

        圖9 不同擺放方式換熱量的變化情況

        從圖10 可以看出,對于本水冷式冷凝器,不同的擺放方式對冷卻液流阻的影響很小,最大偏差只有2%。

        圖10 不同擺放方式冷卻液流阻的變化情況

        4 結(jié)論

        綜上所述,本文對使用內(nèi)翅片式結(jié)構(gòu)的電動汽車空調(diào)水冷式冷凝器進(jìn)行了介紹,并對其傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到了以下結(jié)論:

        4.1 冷卻液流量對換熱量的影響較大,隨著冷卻液流量增加,換熱量逐步增加,換熱量與冷卻液流量比值的0.58次方成正比。

        4.2 隨著冷卻液流量增加,冷卻液流阻逐步增加,冷卻液流阻與冷卻液流量比值的1.97 次方成正比。

        4.3 隨著制冷劑流量增加,制冷劑流阻逐步增加,制冷劑流阻與制冷劑流量比值的2.05 次方成正比。

        4.4 在相同的冷卻液流量下,制冷劑冷凝溫度與冷卻液入口溫度之差越大,換熱量越大,并且當(dāng)制冷劑冷凝溫度與冷卻液入口溫度之差相同時(shí),換熱量比較接近。

        4.5 不同的擺放方式對換熱量的影響較大,合理的擺放有利于獲得最佳性能;但是對冷卻液流阻的影響很小。

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